(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を含む第１のソース、
ガス燃料を含む第２のソース、及び
前記第１及び第２のソースに連結され、前記液体燃料と前記ガス燃料とに選択的に連通され前記液体燃料またはガス燃料を収容する燃焼バーナーを含む燃料燃焼システムであって、
前記燃焼バーナーは、
燃料注入口と、
前記燃料注入口に流体連通される蒸発器キャビティと、
前記蒸発器キャビティに流体連通される燃料排出口と、
前記燃料排出口に流体連通されるエア注入口であって、前記燃焼バーナーの半径方向に沿って前記燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップし、かつ前記燃焼バーナーの縦軸に沿って前記燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップするエア注入口と、
前記エア注入口に流体連通されるバーナー排出口と、
前記エア注入口の下流側に位置し、前記蒸発器キャビティを囲む空間と、
前記蒸発器キャビティに設けられた、前記燃料排出口を通じてのみ前記バーナー排出口に流体連通される熱伝導性多孔質材料と、
前記熱伝導性多孔質材料を加熱可能に構成されたヒーターと、
を含み、
前記燃焼バーナー又は前記燃料燃焼システムの変更なく、前記液体燃料の燃焼と前記ガス燃料の燃焼との間でスイッチングできることを特徴とする燃料燃焼システム。
【請求項２】
前記第１のソースからの前記液体燃料又は前記第２のソースからの前記ガス燃料の前記燃焼バーナーへのフローをコントロールするように構成されたコントローラーを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項３】
前記燃焼バーナーの出力測定に基づいて、前記第１のソースからの前記液体燃料又は前記第２のソースからの前記ガス燃料の前記燃焼バーナーへのフローをコントロールするように構成されたコントローラーを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項４】
エアと前記ガス燃料との混合物またはエアと前記液体燃料を蒸発させて得られた燃料との混合物の温度又は化学量論を感知するように構成されたセンサを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項５】
前記エア注入口は、前記燃料排出口の一つ以上の寸法より更に大きい一つ以上の寸法を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料燃焼システム。
【請求項６】
前記燃焼バーナーは、当該燃焼バーナーの周囲に位置する複数のエア注入口を含み、前記エア注入口はエアを周囲に非垂直角度に向わせるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項７】
前記燃焼バーナーは、前記エア注入口の下流側に突出部を含み、前記突出部は、エアと前記液体燃料を蒸発させて得られた燃料を角の傾く方向に向わせるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項８】
前記バーナー排出口は、円錐の一部で形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項９】
前記円錐は、0°から120°までの間の角度を有することを特徴とする請求項８に記載の燃料燃焼システム。
【請求項１０】
前記燃焼バーナーは、前記空間内にエアとガス燃料を角の傾く方向に向わせるように構成された突出部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項１１】
前記燃焼バーナーは、当該燃焼バーナーの周囲に位置する複数の前記エア注入口を含み、前記エア注入口は、エアを非垂直角度に向わせるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料燃焼システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料燃焼システムを使用する燃焼方法であって、
前記燃料燃焼システムの前記燃焼バーナーの前記燃料注入口を通じて第１のフェイズで第１の燃料を導入するステップ、及び
前記燃料注入口を通じて前記第１のフェイズと異なる第２のフェイズにある第２の燃料を導入するステップを含み、
前記燃焼バーナーへの前記第２の燃料の導入は、前記燃焼バーナー又は前記燃料燃焼システムを変更せずに行うことを特徴とする燃焼方法。
【請求項１３】
前記燃焼バーナーの出力測定に基づいて、前記燃焼バーナーへの前記第１の燃料又は前記第２の燃料のフローをコントロールするステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
【請求項１４】
前記燃焼バーナーの出口の温度又は酸素含有量を測定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
【請求項１５】
エアを前記燃焼バーナーの周囲に非垂直角度で向かわせるようにするステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
【請求項１６】
前記熱伝導性多孔質材料で液体燃料を蒸発させるステップを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の燃焼方法。
【請求項１７】
前記熱伝導性多孔質材料を囲む前記空間に、前記ガス燃料または前記液体燃料を蒸発させて得られる燃料とエアとを混合するステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
【請求項１８】
角の傾く方向にエアと前記ガス燃料または前記液体燃料を蒸発させて得られる燃料とを向わせるようにするステップを更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の燃焼方法。
【請求項１９】
液体燃料またはガス燃料を燃焼する燃焼バーナーであって、
燃料注入口と、
前記燃料注入口に流体連通される蒸発器キャビティと、
前記蒸発器キャビティに流体連通される燃料排出口と、
前記燃料排出口に流体連通されるエア注入口であって、前記燃焼バーナーの半径方向に沿って前記燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップし、かつ前記燃焼バーナーの縦軸に沿って前記燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップするエア注入口と、
前記エア注入口に流体連通されるバーナー排出口と、
前記エア注入口の下流側に位置し、前記蒸発器キャビティを囲む空間と、
前記蒸発器キャビティに設けられた、前記燃料排出口を通じてのみ前記バーナー排出口に流体連通される熱伝導性多孔質材料と、
前記熱伝導性多孔質材料を加熱可能に構成されたヒーターと、
を含むことを特徴とする燃焼バーナー。
【請求項２０】
前記空間内にエアとガス燃料が角の傾く方向に向うように構成された突出部を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の燃焼バーナー。
【請求項２１】
当該燃焼バーナーの周囲に位置する複数のエア注入口を含み、前記エア注入口は、エアを周囲に非垂直角度で向わせるように構成されたことを特徴とする請求項１９に記載の燃焼バーナー。
【請求項２２】
前記バーナー排出口は、円錐の一部で形成されることを特徴とする請求項１９に記載の燃焼バーナー。
【請求項２３】
前記円錐は、0°から120°までの間の角度を有することを特徴とする請求項２２に記載の燃焼バーナー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料燃焼システム、その構成要素及び燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料バーナーは、二つのカテゴリー、すなわち噴霧バーナーと蒸発バーナーとに分類できる。噴霧バーナーで、高圧と高速エアの組み合わせを用いて、オリフィスを通じて液体燃料をフローイングし、燃料を小さな滴に分散する。燃料の小さな滴は、表面対体積の割合効果によってエアと混合し、一般的に燃料の大きな滴より更に容易に蒸発し、燃焼する。蒸発バーナーで、燃料は噴霧の援助なく加熱され、蒸発する。その後、蒸発した燃料はエアと混合し、燃焼される。一部の場合、電気ヒーターが用いられ、燃料の蒸発を助ける。その他の場合、燃焼工程からの熱は燃料を蒸発させるのに十分である。また、予熱されたエアは、芯から燃料の蒸発を助けることができる。
【０００３】
ガス燃料バーナーは、燃料が気体状態で始まるため、燃料を蒸発させる必要がない。多くのガス燃料バーナーは、燃焼前に燃料とエアを予め混合したり、部分的に予め混合する。フレームは、熱い排気物の再循環を用いたり、鈍頭物体を用いたり、燃料-エア混合物を予熱した後、フレームを金属繊維や泡に安定化させるために、泡又は繊維材料を用いたり、又は排気物を再循環させ、供給速度において大きい変動のフレームを安定化させる旋回フローフィールドを用いることで安定化できる。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、燃料燃焼システム、その構成要素及び燃焼方法に関するものである。
本発明は、液体燃料を蒸発させ、ガス燃料を完全に燃焼させることもできるバーナーで、非常に低い排出で液体燃料を燃焼する構成要素、システム及び方法を提供する。例えば、バーナーと、バーナーのコントローラが外部燃焼エンジン、化学プロセッサー又はヒーターに用いられる。一部の実施形態で、バーナーは液体又はガス燃料、点火率及びエア/燃料の割合を含む燃料形態の様々な範囲に関して燃焼を安定化させ得る旋回の安定したバーナーである。バーナー又は外部燃焼システムの燃料柔軟性は、燃料の選択が限定される際の緊急状況で非常に有用であり得る。
【０００５】
バーナーは、旋回安定を妨害せず、コークスの形成に対して限られた傾向で液体燃料を蒸気化させるためのメカニズムを含む。ガス燃料は、同一のバーナーで作動され、エアとの混合と燃焼前に蒸発させるメカニズムを通過できる。コントローラは、一つのシステムを如何なるハードウェアの変更もなく、気体又は液体燃料で作動させるようにし、即ち、単一のバーナーは液体燃料だけでなく、ガス燃料でも作動できる。
【０００６】
一実施形態で、本発明は、液体燃料を含む第1のソース、ガス燃料を含む第2のソース、及び第1及び第2のソースに接続され、液体燃料とガス燃料に選択的に流体連通され、燃料を収容する燃焼バーナーを含むシステムであって、バーナーは、バーナー又はシステムの変更なく、液体燃料の燃焼とガス燃料の燃焼との間で切り替えることができることを特徴とする。
【０００７】
実施形態は、以下の特徴のうち一つ以上を含むことができる。システムは、第1のソース又は第2のソースからバーナーへ燃料のフローをコントロールするように構成されたコントローラを更に含む。システムは、バーナーの出力測定に基づいて第1のソース又は第2のソースからバーナーへ燃料のフローをコントロールするように構成されたコントローラを更に含む。システムは、燃料/ガス混合物の温度又は化学量論を感知するように構成されたセンサを更に含む。バーナーは、燃料注入口、燃料排出口、及びバーナーの縦軸に沿って、燃料排出口の少なくとも一部をオーバーラップするエア注入口を含む。エア注入口は、燃料排出口の少なくとも一つの寸法より更に大きい少なくとも一つの寸法を有する。バーナーはバーナーの略周囲に位置し、エアを非垂直角度で向わせるように構成された複数のエア注入口を含む。バーナーは、液体燃料を蒸発させるように構成された熱伝導性多孔質材料を含む。バーナーは、多孔質材料を囲む空間を含む。バーナーは、エア注入口と、エアと蒸発した燃料を曲がった方向に向わせるように構成されたエア注入口の下流側の突出部を含む。バーナーは、円錐の一部の形状からなるバーナー排出口を含む。円錐は、略0°から略120°までの角度を有する。バーナーは、燃料注入口と、燃料注入口と流体連通される蒸発器キャビティと、蒸発器キャビティと流体連通される燃料排出口と、燃料排出口と流体連通されるエア注入口と、エア注入口と流体連通されるバーナー排出口を含む。バーナーは、蒸発器キャビティに、熱伝導性多孔質材料を更に含む。多孔質材料は、燃料排出口を通じてのみバーナー排出口と流体連通される。バーナーは、多孔質材料を加熱するように構成されたヒーターを更に含む。バーナーは、エア注入口の下流側に位置し、蒸発器キャビティを囲む空間を更に含む。バーナーは、空間内に、エアとガス燃料を曲がった方向に向わせるように構成された突出部を更に含む。エア注入口は、バーナーの縦軸に沿って燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップする。
【０００８】
他の実施形態で、本発明は、燃焼システムのバーナーの燃料注入口を通じて第1のフェーズで第1の燃料を導入すること、及び燃料注入口を通じて第1のフェーズと他の第2のフェーズにある第2の燃料を導入することを含む燃焼方法であって、バーナーへの第2の燃料の導入は、バーナー又は燃焼システムを変更せず行なわれることを特徴とする。
実施形態は、以下の特徴のうち一つ以上を含むことができる。方法は、バーナーの出力測定に基づき、バーナーへ第1の燃料又は第2の燃料のフローをコントロールすることを更に含む。前記方法は、バーナーの排出口の燃料エア混合物の温度又は化学量論の表示を測定することを更に含む。バーナーは、燃料排出口と、半径方向へ燃料排出口の少なくとも一部をオーバーラップするエア注入口を含む。エア注入口は、燃料排出口の少なくとも一つの寸法より更に大きい少なくとも一つの寸法を有する。前記方法は、エアをバーナーの周囲に非垂直角度で向わせることを更に含む。前記方法は、熱伝導性多孔質材料で液体燃料を蒸発させることを更に含む。前記方法は、多孔質材料を囲む空間に、燃料とエアを混合することを更に含む。前記方法は、曲がった方向にエアと燃料を向うようにすることを更に含む。バーナーは、円錐の一部の形状からなるバーナー排出口を含む。円錐は、略0°から略120°までの角度を有する。バーナーは、燃料注入口と、燃料注入口と流体連通される蒸発器キャビティと、蒸発器キャビティと流体連通される燃料排出口と、燃料排出口と流体連通されるエア注入口と、エア注入口と流体連通されるバーナー排出口を含む。バーナーは、蒸発器キャビティに、熱伝導性多孔質材料を更に含む。多孔質材料は、燃料排出口を通じてのみバーナー排出口と流体連通される。バーナーは、多孔質材料を加熱するように構成されたヒーターを更に含む。バーナーは、エア注入口の下流側に位置し、蒸発器キャビティを囲む空間を更に含む。バーナーは、空間内にエアとガス燃料を曲がった方向に向わせるように構成された突出部を更に含む。エア注入口は、バーナーの半径方向に沿って燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップする。バーナーは、バーナーの略周囲に位置し、エアを周囲に非垂直角度で向わせるように構成された複数のエア注入口を含む。バーナー排出口は、円錐の一部の形状からなる。円錐は略0°から略120°までの角度を有する。
【０００９】
他の実施形態で本発明は、燃料注入口、燃料注入口と流体連通される蒸発器キャビティ、蒸発器キャビティと流体連通される燃料排出口、及び燃料排出口と流体連通されるエア注入口を含むバーナーであって、エア注入口は、バーナーの半径方向に沿って燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップすることを特徴とする。
実施形態は、以下の特徴のうち一つ以上を含むことができる。バーナーは、蒸発器キャビティに熱伝導性多孔質材料を更に含む。多孔質材料は、燃料排出口を通じてのみバーナー排出口と流体連通される。バーナーは、多孔質材料を加熱するように構成されたヒーターを更に含む。バーナーは、エア注入口の下流側に位置し、蒸発器キャビティを囲む空間を更に含む。バーナーは、空間内にエアとガス燃料を曲がった方向に向わせるように構成された突出部を更に含む。エア注入口は、バーナーの縦軸に沿って燃料排出口の少なくとも一部とオーバーラップする。バーナーは、バーナーの略周囲に位置し、エアを周囲に非垂直角度で向わせるように構成された複数のエア注入口を含む。バーナーは、円錐の一部の形状からなるバーナー排出口を更に含む。円錐は、略0°から略120°までの角度を有する。
【００１０】
他の実施形態で本発明は、燃料注入口、燃料注入口と流体連通される蒸発器キャビティ、蒸発器キャビティと流体連通される燃料排出口、燃料排出口と流体連通されるエア注入口、及びエア注入口の下流側に位置し、蒸発器キャビティを囲む空間を含むことを特徴とする。
実施形態は、以下の特徴のうち一つ以上を含むことができる。バーナーは、蒸発器キャビティに熱伝導性多孔質材料を更に含む。多孔質材料は、燃料排出口を通じてのみバーナー排出口と流体連通される。バーナーは、多孔質材料を加熱するように構成されたヒーターを更に含む。バーナーは、空間内にエアとガス燃料を曲がった方向に向わせるように構成された突出部を更に含む。バーナーは、バーナーの略周囲に位置し、エアを周囲に非垂直角度で向わせるように構成された複数のエア注入口とを含む。バーナーは、円錐の一部の形状からなるバーナー排出口を更に含む。円錐は、略0°から略120°までの角度を有する。
【００１１】
ここに記載されるバーナーを用いる燃焼工程は、略0.2から略1.5まで(例えば、略0.5から略0.7まで)の旋回数で旋回安定したフレームが製造できる。
一部の実施形態でエアは、バーナーの端部に位置する開口又は通路を通じて導入できる。
実施形態は、以下の利点のうち一つ以上を含むことができる。
【００１２】
蒸発器周りに沿ってフレームを旋回させて、多重燃料に対するフレームの安定化が図られる。一部の出願で、液体とガス燃料は、フレーム長さとフレーム速度が顕著に異なるため、同一のバーナーで利用できない。フレームを強く旋回させて他のフレーム特性に対して相殺できる。旋回されたフレームはまた、フレームフローフィールドへの最小限の影響で蒸発表面をフレームの中央に位置付けることができる。
【００１３】
蒸気孔周りの高速エアの利用は、燃料の形態に関係なく、燃料蒸気を抽出し、燃料とエアとの事前混合が促進できる。実施形態は、バーナーの変更なく、液体又はガス燃料を用いて作動できる。
泡との蒸発は、コークスが泡内に形成されても、熱が供給燃料に伝達されるようにする。コーキングが発生すると、泡の最も熱い部分から熱が分散でき、コークスは絶縁特性によってそれ以上の蒸発を防止しないので、破壊されない。
【００１４】
泡の構造は、総じて空隙からなっているので、大きな蒸発表面が提供できる。総じて空隙を有し、どんな小さなオリフィスも有しないので、詰まりの発生を減らすことができる。
一部の実施形態で、バーナーは、触媒バーナーのような他の多重燃料バーナーで発生し得る、硫黄による容易な汚染、及び/又は、高温での容易な腐敗が発生しない。   
【００１５】
コントロールシステムは、ハードウェアの変更なく、様々な燃料で作動できる。
ここで用いられている通り、「バーナーの変更なく」とは、如何なる物理的構成要素もバーナーに追加されたりバーナーから除去されないことを意味する。しかし、燃料流量、エア流量及び温度のようなバーナーの作動上のパラメータは変更できない。
ここで用いられた通り、「システムの変更なく」とは、如何なる物理的構成要素もシステムに加わったりシステムから除去されないことを意味する。しかし、流量、温度、切り替え状態のようなシステム作動上のパラメータは変更できない。
【００１６】
一つ以上の実施形態の細部事項は、以下に添付される解説で説明される。本発明の他の形態、特徴及び利点は、以下の図面、実施形態の詳細な説明及び添付される請求項から明確になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】分離された円錐形状の端部を有する多重燃料バーナーの実施形態の図面である。
【図２】取り付けられた円錐形状の端部を有する図1に示されたバーナーの断面図である。
【図３】取り除かれた円錐形状の端部を有するバーナーの図1に示された側面図である。
【図４】線4-4に沿って切取られた図3に示されたバーナーの断面図である。
【図５】図3に示されたバーナーの分解図面である。
【図６】多重燃料バーナーを含むコントロールシステムの実施形態のブロック図である。
【図７】多重燃料バーナーを含むコントロールシステムの実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図1及び2は、燃焼バーナー(20)がガス燃料だけでなく、液体燃料を燃焼するのに用いられることを示す。バーナー(20)は、外部燃焼エンジン、化学プロセッサ及びヒーターのようなシステムに用いられる。ここで説明された通り、液体燃料の燃焼及びガス燃料の燃焼間の切り替えは、バーナー(20)やバーナーを含むシステム(例えば、ハードウェアを追加したり除去することで)を変更せず行うことができる。また、バーナー(20)は、低排出で広範囲な燃料を燃焼することができる。例えば、灯油の燃焼は、排気ガスで4%の過剰酸素(略0.8π)下でも、略500ppmCO以下の排出が可能である。100ppmCO以下のより低い排出は、フレームで更に多い過剰エア(例えば、0.7〜0.75π)とともに可能である。
【００１９】
図3、4及び5を参照すると、一般的にバーナー(20)は、ハウジング(22)とハウジング内部の蒸発器(40)を含む。作動の間、燃料は蒸発器(40)(例えば、液体燃料を蒸発させる)に導かれ、ガス燃料とエアは、蒸発器とハウジング(22)との間に規定された混合領域(50)で混合される。混合された燃料とエアは、バーナー排出口(28)で燃焼される。より具体的に、ハウジング(22)は、上部ボディ(30)と上部ボディに結合される下部ボディ(32)を含む。上部ボディ(30)は、燃料注入口(34)と上部ボディの縦軸(L)に沿って延長される通路(36)を含む。下部ボディ(32)は、下部ボディの外周に沿って配列される複数のエア注入口(38)を含む。図1及び2に示された通り、バーナー(20)は、バーナー排出口(28)を設定する円錐形状の端部(24)[下部ボディ(32)と一つに形成できる]を含む。ハウジング(22)内で蒸発器(40)(図示された通り、開口端と閉鎖端を有する円筒ボディ)は、通路(36)及びバーナー排出口(28)と同軸にある。蒸発器(40)とハウジング(22)との間にガス燃料とエアが燃焼前に混合されるエア/ガス燃料混合領域(50)(図示された通り、円筒空間)がある。蒸発器(40)は、蒸発器の外周に沿って位置する複数の燃料排出口(42)(図示された通り、丸い開口)を有する。図2に示した通り、蒸発器(40)内に、バーナー(20)は、使用中に、液体燃料を蒸発させ得る熱伝導性多孔質材料(44)(例えば、発泡金属)と、多孔質材料を加熱するように構成されたグロープラグ(glow plug)(46)を更に含む。一部の実施形態で、バーナー(20)は多孔質材料(44)を含まないが、グロープラグ(46)を含み得る。
【００２０】
作動の間、液体燃料(ディーゼル燃料等)又はガス燃料(プロパン等)は、バーナー排出口(28)での燃焼のために燃料注入口(34)を通じて導入される。より具体的に、液体燃料を燃焼するための「液体モード」においてグロープラグ(46)は、液体燃料を蒸発させる蒸発熱を提供するのに用いられる多孔質材料(44)を加熱する開始点で活性化される。一部の実施形態においてグロープラグ(46)は、開始点での完全な蒸発を確かにするために、燃料導入前に5分間、また点火後5分間まで活性化され、液体燃料の燃焼が進行するにつれ、蒸発熱は、バーナー(20)に近い熱いガスから、燃焼と対流からの放射によりさらに生成できる。グロープラグ(46)と多孔質材料(44)が十分に加熱され液体燃料を蒸発させると、液体燃料は燃料注入口(34)を通じてバーナー(20)に導入される。液体燃料は、液体燃料がガス燃料に蒸発する多孔質材料(44)にフローイングし、燃料排出口(42)を通じてフローイングする。同時に、エアは、エア注入口(38)(例えば、ファン、ブロワー又はコンプレッサーにより加圧される)を通じてフローイングされ、このエアは、バーナー排出口(28)近傍で燃焼前に混合領域(50)で燃料排出口(42)から出るガス燃料と混合される。フレームは、排出口(28)近傍の、例えば、スパークプラグ、グロープラグ又は熱い表面点火装置を有する点火源によって初めて点火される。バーナー(20)が点火されると、点火源は燃焼を維持するためにそれ以上要求されない。グロープラグ(46)は、例えば、点火後約5分後に非活性化できる。
【００２１】
ガス燃料を燃焼させるための「ガスモード」で、ガス燃料は、上述した液体燃料の流路と略同一の流路を通じてフローイングする。より具体的に、ガス燃料は、燃料注入口(34)を通じてバーナー(20)に導入される。ガス燃料は、多孔質材料(44)と接触し、少量の熱が吸収できるが、燃料は、液体燃料のような相変化を経験しない。その後、ガス燃料は、燃料排出口(42)を通じフローイングされる。その後、エア注入口(38)を通じて導入されるエアは、混合領域(50)で燃料排出口(42)を出るガス燃料と混合され、このエア及び燃料混合物は、バーナー排出口(28)近くで燃焼され、「液体モード」の作動で説明された通り、点火源によって初めて点火される。
【００２２】
図2を再度参照すると、蒸発器(40)内とその閉鎖端近くで、バーナー(20)は熱交換器と蒸発表面として機能する多孔質材料(44)を含む。ガス燃料は、熱い表面からガスへの熱伝達が、液体への熱伝達よりはるかに効果的でないので、作動に顕著な熱伝達なく蒸発器(40)を出入することができる。しかし、液体燃料とともに、多孔質材料(44)は、表面の蒸発ホットスポットの制限、熱の分散で温度の均一性を増大することができ、この均一温度で拡張された表面領域に提供できる。作動の間、燃料が底面上の多孔質材料によって蒸発すると、多孔質材料(44)の最も熱い表面に到達しない。大量の燃料蒸留液の軽い部分であるほど、より低温でより速く蒸発でき、燃料の過熱とコークス形成は、このメカニズムによって制限され得る。さらに、この蒸発接近法においてコークス形成は、バーナー(20)に悪い影響を与えない。事実、一部の非常に遅いコークスは、多孔質材料(44)の大きく開放された体積と表面積のため、コークス形成が燃料蒸発にさらに影響を与える前に構成され得る。多孔質材料(44)は、バーナー(20)の寿命を増加させるのに有用であり得る。また、多孔質材料(44)は、コークスが最も熱い表面に形成されると、熱が表面から離れて形成される蒸気に十分遠くまで伝わるので、優れた熱伝導性を提供する。
【００２３】
多孔質材料(44)は、高表面積を有する高温耐性、熱伝導性の物質で形成できる。例えば、バーナーのコンピュータによる流体力学分析は、バーナーが灯油燃料により作動されるとき、600℃に近い発泡金属多孔質材料の最大温度を示す。結果的に、一部の実施形態で多孔質材料(44)は、酸化及び分解のような逆効果なしで、少なくとも略600℃、少なくとも略800℃の温度で耐えることができる。多孔質材料(44)は、略60%から略95%までの空隙率を有することができる。多孔質材料(44)のセルサイズは、略10ppi(インチ当りの気孔)〜100ppiを有することができるので、多孔質材料に悪い影響を与えるフローイング抵抗なしで、高表面積の利点を得る。多孔質材料(44)の構造は、例えば、多孔質材料の一部がコークスでいっぱいになり始めると、液体燃料を蒸発させるのに要求される熱を提供するように残っている蒸発表面を提供する。多孔質材料(44)の例は、ステンレススチール又は鉄クロム(FeCr)合金を含む(例えば、完全に形成される)発泡金属を含む。
【００２４】
図2を続けて参照すると、ガス燃料が(導かれたり、蒸発した後)、燃料排出口(42)を出るとき、ガス燃料は、エア注入口(38)を通じて入るエアと混合される。図示された通り、ガス燃料とエアとの間の混合を増加させるために、燃料排出口(42)とエア注入口(38)は、一つ以上の燃料排出口の少なくとも一部が、軸(L)に沿う一つ以上のエア注入口の少なくとも一部とオーバーラップするように縦軸(L)の方向に沿って整列される。図2に示した通り、燃料排出口(42)は、エア注入口(38)と完全にオーバーラップする。このオーバーラップは、ガス燃料が蒸発器(40)を出ていくときに入ってくるエアがガス燃料をスワイプ(swipe)できるようにし、優れた混合を提供する。一部の実施形態で、エア注入口(38)は、縦軸(L)に沿う燃料排出口(42)の寸法と同一であるか、より大きな縦軸(L)に沿う寸法を有する。一部の実施形態で、エア注入口(38)と燃料排出口(42)は、縦軸(L)に沿ってオーバーラップされない。例えば、燃料排出口(42)は、バーナーに注入されるエアの流路に沿ってエア注入口(38)の下流側に位置し得る。
【００２５】
混合を更に増加させるために、エア注入口(38)を傾けて入ってくるエアをバーナー(20)の外周へ非垂直角度で向かわせる。例えば、エア注入口(38)を規定する下部ボディ(32)の壁は、入ってくるエアが、バーナー(20)の外周に接線方向に向かうように傾けて、エアと混合領域(50)のエア/ガス燃料混合物を旋回させることを助ける。
一部の実施形態で、図5を参照すると、混合領域(50)で混合を更に増加させるため、バーナー(20)は、エア/ガス燃料を縦軸(L)に対して傾斜したり曲がった方向(例えば、混合領域(50)の外周に接する)に向かわせるのに役立つ混合領域での構造的特徴を含む。図示された通り、バーナー(20)は、蒸発器(40)の外周から延長される複数の旋回羽根(60)を含む。
【００２６】
エア注入口(38)を通じて入るエアの傾斜した方向及び/又は混合領域(50)の構造的特徴は、バーナー(20)でのエア/ガス燃料旋回を発生させることを助けることができる。旋回は応力層と強い混合ストリームが提供できるので、灯油やDF-2ディーゼル燃料のような低い拡散率を有する大きな燃料分子に対して特に重要になり得る。また、旋回は広範囲なフレームの速度や等価率において作動するフレーム安定メカニズムも提供できる。例えば、灯油は略0.6から略0.9までの等価率で燃焼できる。同一のバーナーは、2つの燃料のフレーム速度は同一でなくても、略0.6から0.9までの等価率を有するプロパンにより作動できる。一部の実施形態で、ガス燃料とエアが混合されると、燃焼工程はバーナー排出口(28)で略0.2から略1.5まで(略0.5から略0.7までのような)の旋回数(SN)で旋回安定したフレームに安定化し、SNは軸モメンタムの軸流動に対する各運動量の軸流動の割合で定義される。
【００２７】
図6と図7を参照すると、ここで説明されるバーナー(20)の実施形態は、適用可能なコントロールシステム(100)に用いられる。例えば、適用可能なコントロールシステムは、ガスと液体燃料で燃焼工程をコントロールする外部燃焼エンジンとともに利用できる。図示された通り、コントロールシステム(100)は、エアと燃料の供給をコントロールするためのメカニズムを含む。調整バルブ(102)は、ガス燃料(103)のフローをコントロールするように利用できる。ポンプ(104)は、液体燃料(105)をコントロールするのに利用できる。ブロワー(106)は、システムに燃焼エアを供給するために利用できる。図示された通り、システム(100)は、2つの連結点を有する燃料供給ライン(108、110)を含む。一つは液体燃料(108)のためのものであり、もう一つはガス燃料(110)のためのものである。ラインのうち一つを作動させる3方向バルブ(112)は、バーナー(20)の上流側のシステム(100)で利用できる。一部の実施形態で、バルブ(112)は、バルブが選択モードにある肯定指示を提供する、スイッチのようなメカニズムを有する。燃料選択器のスイッチは、バルブ(112)がシステム(100)の適切な作動のために選択されるガスモードにある肯定指示が提供できる。
【００２８】
作動の間、ユーザー設定スイッチは、コントロールシステム(100)に「液体モード」又は「ガスモード」を作動させ得る。システム(100)のモードは、例えば、燃料とエアのための供給システムを含むバーナー(20)のコントロールを作動させ得る。燃料フローは、温度設定ポイントとバーナー(20)の温度測定(116)からのフィードバックシグナルに基づいて設定できる。エアフローイングは、燃料フローイングに基づく設定ポイントと、燃焼混合物の化学量論を示すフィードバックシグナルに基づいて設定できる。燃料率に基づいて「フィード-フォワード」用語と結合したセンサ(114)からの「フィードバック」用語を有するこのハイブリッドコントロールシステムは、例えば「フィードバック」の応答にのみ基づくコントロールシステムに関する安定性を向上させ得る。ユーザーは、システム(100)の所望のモードを作動させたり選択でき、バーナー(20)は、液体とガス燃料とに非常に類似して作動できるので、同一のセンサ(114、116)は、両方モードにフィードバックのために利用できる。
【００２９】
燃料とエアに対するフィードバックシステムは、両方のモードに対して同一のハードウェアを利用できるが、モードに応じて異なる設定ポイントを有する。例えば、外部燃焼エンジンの場合、一つは燃料率をコントロールしてエンジンの特定のボディ温度が維持できる。温度は、例えば、熱電対や抵抗温度検出器(RTD)によって測定できる。温度はモードが液体又はガス燃料であるかに応じて変わり得る。エアの量は、例えば自動酸素センサ、一酸化炭素センサ又はフレーム整流センサような化学量論のセンサからのフィードバックを用いてコントロールできる。酸素センサの場合、消費される酸素の量は予め指定されるか、液体燃料とガス燃料に応じて異なり得る。フィードバック値に対する他の設定は、液体燃料が燃料されるのであれガス燃料が燃焼されるのであれ、クリーンな排出を維持するために、システム(100)のモードによって指定され得る。フレームの速度は、燃料(天然ガス、プロパン、ブタン及びガソリン、灯油又はディーゼル等の液体燃料を含むガス燃料)の各モード内で更に類似するので、一つの酸素設定のみ各モードに対し必要であり、システム(100)に対するモードは一つのスイッチで指定され得る。
【００３０】
多数の実施形態が記載されているが、本発明が限定されることはない。
例として、予熱されたエアは、例えばバーナーエアが回復すれば、蒸発工程を促進できもする。例えば、バーナーエアが排気ガスにより回復され得、回復の程度に応じて600℃に近接する温度に到達し得る。この温度のエアは燃料の蒸発工程を促進できる。
他の実施例として、図2を参照すると、バーナー排出口(28)は、略0°から略120°まで(略40°から略80°までのような)の角度(α)を有することができる。円錐角度が大きければ、半径方向へフレームを延長することができ、ある程度の熱がフレームから加熱されるボディに伝達されるのみならず、フレームの安定にも影響を与え得る。
【００３１】
一部の実施形態で、バーナーは多孔質材料(44)及び/又はグロープラグ(46)が選択された作動間隔後に容易に代替(フィルタと類似する)できるように考案できる。例えば、グロープラグ(46)と多孔質材料(44)は、パッケージを除去したりインストールするためのグロープラグのスレッドを用いることで、共に除去したり代替できる一つの予め組立てられたパッケージのように製造され得る。
【００３２】
追加的に又は代案として、バーナーの側部に位置するエア注入口を通じてエアをバーナーへ注入するために、エアはバーナーの端部から導入され得る。例えば、バーナーはグロープラグを同軸に囲み、蒸発器と流体連通される環状通路を含むことができる。グロープラグのない実施形態では、エアは通路(36)を通じて導入され得る。
「上部」、「下部」及び「底部」のような位置を示す用語は、図面に関連して便宜上用いられたもので限定されはしない。
【００３３】
請求の範囲内において、さらに他の実施形態が存在し得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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